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Die Erfindung betrifft eine Kohlebürste sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Kohlebürste zur elektrischen Kontaktierung einer relativ zur Kohlebürste bewegten Kontaktstruktur, insbesondere eines Kommutators oder Schleifrings einer elektrischen Maschine, wobei ein Bürstenkörper der Kohlebürste durch Pressen und Aushärten einer Materialmischung ausgebildet wird, wobei die Materialmischung durch Mischen eines Graphitpulvers mit einem härtbaren Harz und einem Additiv ausgebildet wird.
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Kohlebürsten sind regelmäßig aus einem Bürstenkörper oder aus einem Bürstenkörper mit einer daran befestigten Anschlusslitze, einem Dämpferelement oder ähnlichem ausgebildet. Der Bürstenkörper bildet stets eine Kontaktfläche aus, die zur elektrischen Kontaktierung einer bewegten Kontaktstruktur, wie beispielsweise einem Kommutator oder einem Schleifring, dient. Zur Herstellung des Bürstenkörpers ist es bekannt, Kohlenstoff in Form von Graphitpulver mit einem Bindemittel zu mischen und in einem Formpressverfahren zu dem Bürstenkörper zu verarbeiten. Als Bindemittel werden regelmäßig Harze verwendet, wobei einer Materialmischung aus dem Graphitpulver und einem Harz noch Hilfsstoffe, wie Festschmierstoffe und Putzmittel und auch Metallpulver zur Einstellung einer gewünschten physikalischen Eigenschaft der Kohlebürste als Additive zugegeben werden können.
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So ist aus der
EP 1 713 148 A1 ein Verfahren zur Herstellung von Kohlebürsten bekannt, bei dem einer pulverförmigen Mischung aus einem Kohlenstoffpulver und einem thermoplastischen Bindemittel Metallpulver hinzugefügt wird, und die Pulvermischung in einem Formpressverfahren zu einem Bürstenkörper verarbeitet wird. Bei dem bekannten Kohlenstoffverbundmaterial werden dem Kohlenstoff Metallpulver zugesetzt, um einen Werkstoffwiderstand der Kohlebürste zu beeinflussen.
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Wenn Harz als ein Bindemittel verwendet wird, kann das Harz im Rahmen einer Temperaturbehandlung eines gepressten Formkörpers des Bürstenkörpers verkokt werden, sodass das Harz im Wesentlichen vollständig in Kohlenstoff umgewandelt wird. Andererseits kann es auch vorteilhaft sein, dass Harz lediglich auszuhärten ohne es zu verkoken bzw. zu pyrolysieren. So kann das Harz aufgrund seiner guten tribologischen Eigenschaften eine Lebensdauer der Kohlebürste verlängern. Zwischen der Kohlebürste bzw. einer Kontaktfläche des Bürstenkörpers und der Kontaktstruktur bzw. einem Kommutator oder Schleifring, bildet sich dann regelmäßig eine Zwischenschicht aus Kupferoxid und Bürstenabrieb aus, die einen Anteil an Harz enthält. Dieser Harzanteil bewirkt einen erhöhten elektrischen Übergangswiderstand und verbessert dadurch eine Kommutierung. So müssen induzierte Kurzschlussströme zwischen zwei benachbarten Lamellen eines Kommutators die Zwischenschicht zweimal durchqueren. Die Harzmatrix des Bürstenkörpers bewirkt jedoch auch gegenüber einer aus Kohlenstoff ausgebildeten Matrix eine Erhöhung eines spezifischen Widerstands des Bürstenkörpers infolge der elektrischen Eigenschaften des Harzes. So umgibt das Harz als Matrixmaterial Partikel des Graphitpulvers, die dann nur partiell miteinander elektrisch leitend verbunden sind. Durch die feste Verankerung der Partikel des Graphitpulvers in der Harzmatrix weisen die Kohlebürsten eine lange Lebensdauer auf, sind bei Funkenbildung allerdings wenig stabil.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde ein Verfahren zur Herstellung einer Kohlebürste sowie eine Kohlebürste mit einer Harzmatrix vorzuschlagen, die einen geringen spezifischen Widerstand aufweist.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Kohlebürste mit den Merkmalen des Anspruchs 14 gelöst.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung einer Kohlebürste zur elektrischen Kontaktierung einer relativ zur Kohlebürste bewegten Kontaktstruktur, insbesondere eines Kommutators oder Schleifrings einer elektrischen Maschine, wird ein Bürstenkörper der Kohlebürste durch Pressen und Aushärten einer Materialmischung ausgebildet, wobei die Materialmischung durch Mischen eines Graphitpulvers mit einem härtbaren Harz und einem Additiv ausgebildet wird, wobei als Additiv Graphen verwendet wird.
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Die Materialmischung kann beispielsweise unter Zuhilfenahme eines Extruders ausgebildet werden, wobei die Materialmischung durch Aushärten des Harzes, welches hier als Matrixmaterial fungiert, zu dem Bürstenkörper verfestigt wird. Als Graphitpulver kann Naturgraphit, Kunstgraphit oder Elektrographit Verwendung finden. Bei dem Graphen handelt es sich um eine Modifikation des Kohlenstoffs mit zweidimensionaler Struktur, in der jedes Kohlenstoffatom in einem Winkel von 120° von drei weiteren umgeben ist. Eine Wahl von Lagen und anderer Parameter ist universell je nach Anwendung. Insbesondere durch die zweidimensionale Struktur des Graphens wird es möglich mit Harz ausgefüllte Zwischenräume zwischen Partikeln des Graphitpulvers zumindest teilweise mit Graphenpartikeln zu überbrücken ohne diese Zwischenräume zu vergrößern, wie dies beispielsweise bei dreidimensionalen, vergleichsweise größeren Partikeln von anderen Additiven der Fall wäre. Die Graphenpartikel fügen sich vorteilhaft in die 0,1 bis 1 µm dicke Harzschicht um die Graphitpartikel ein, ohne einen Abstand der Graphitpartikel zu vergrößern. Dadurch wird es möglich eine elektrische Leitfähigkeit des Bürstenkörpers wesentlich zu verbessern bzw. einen spezifischen Widerstand zu verringern. Außerdem wird ein Beitrag zur Reibung, den eine Harzphase liefert, verringert und so unter Anderem ein Bürstengeräusch gesenkt. Darüber hinaus können die mechanischen Festigkeitseigenschaften des so ausgebildeten Bürstenkörpers ebenfalls wesentlich verbessert werden. Eine Rissbildung des Bürstenkörpers beim Pressen oder einer mechanischen Nachbearbeitung, wie beispielsweise Bohren oder Schleifen, kann durch den Zusatz von Graphen wirkungsvoll verhindert werden. Weiter kann auch eine Stabilität und thermische Leitfähigkeit des Bürstenkörpers gesteigert werden. Neben der so verbesserten Leistungsfähigkeit des Bürstenkörpers bzw. der Kohlebürste können damit auch mögliche Ausfälle der Kohlebürste während eines Betriebszeitraums, beispielsweise durch einen Bruch des Bürstenkörpers, minimiert werden. Auch wird ein Anwendungsbereich der Kohlebürste erweitert, da sich Funkenbildung weniger negativ auf die Lebensdauer bzw. einen Verschleiß auswirkt.
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Die Kohlebürste bzw. der Bürstenkörper kann bereits durch das Aushärten des Harzes ausgebildet werden, wobei das Aushärten bei einer Temperatur ≤ 500°C durchgeführt werden kann. Somit wird vermieden, dass das Harz pyrolysiert bzw. in Kohlestoff überführt wird, sodass die eingangs beschriebenen positiven Eigenschaften des Harzes erhalten bleiben. Demnach ist im Rahmen des Verfahrens kein Verkoken bzw. Pyrolysieren des Harzes vorgesehen.
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Der Bürstenkörper kann Graphen mit einem Anteil von 0,01 bis < 5 Gewichtsprozent, bevorzugt von 0,01 bis < 3 Gewichtsprozent, besonders bevorzugt von 0,01 bis < 2 Gewichtsprozent, aufweisen. Wie sich überraschenderweise herausgestellt hat, kann bei diesem Anteil an Graphen eine Leistungsfähigkeit der Kohlebürste wesentlich gesteigert werden. Gleichwohl muss der Materialmischung nur wenig Graphen zugesetzt werden, wodurch die Leistungsverbesserung der Kohlebürste kostengünstig erzielbar ist.
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Vorteilhaft kann die Materialmischung überwiegend aus dem Graphitpulver ausgebildet werden. Demnach kann die Materialmischung einen Graphitanteil von > 50 Gewichtsprozent, bevorzugt > 90 Gewichtsprozent aufweisen. Die Materialmischung kann auch weitere Stoffe, wie beispielsweise Festschmierstoffe, Schleifmittel und/oder Metallpulver aufweisen. So ist es dann auch möglich die Eigenschaften der Kohlebürste bzw. des Bürstenkörpers an den jeweiligen Anwendungsfall in der gewünschten Weise anzupassen.
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Das Harz kann flüssig sein und das Graphen kann in Partikelform vor einer Mischung mit dem Graphitpulver dem flüssigen Harz zugegeben werden. Prinzipiell kann das Harz auch pulverförmig sein, jedoch ist es besonders vorteilhaft, wenn das Harz flüssig ist, da dann das Graphen gut mit dem flüssigen Harz vermischt werden kann. Das Graphen kann in Partikelform in Art eines Pulvers verwendet werden, wobei die Partikel dann plattenförmig, mit zweidimensionaler Struktur vorliegen. Je nach Herstellungsverfahren des Graphens können die Platten der zweidimensionalen Struktur gestapelt oder ungestapelt sein. Zumindest bilden die Partikel des Graphen keine Kugelform aus.
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Die Materialmischung wird besonders einfach ausbildbar, wenn das flüssige Harz mit einem Lösungsmittel, bevorzugt Aceton, verdünnt wird, wobei das Lösungsmittel nach oder während dem Pressen mittels Wärmebehandlung entfernt und das Harz ausgehärtet werden kann. Durch die Verdünnung mit dem Lösungsmittel wird es möglich, eine besonders homogene Materialmischung auszubilden, die einfach beispielsweise in einem Extruder verarbeitet werden kann. Auch kann dann das Graphen besonders gut mit dem Harz vermischt werden. Die Aushärtung des Harzes kann dann dadurch erfolgen, dass das Lösungsmittel mittels der Wärmebehandlung verdampft und damit aus der Materialmischung bzw. dem so ausgebildeten Bürstenkörper entfernt wird. Bei der Wärmebehandlung bzw. dem Verdampfen des Lösungsmittels kann eine Temperatur so gewählt werden, dass ein Aushärtvorgang des Harzes initiiert wird.
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Alternativ kann das Harz fest sein und beispielsweise mit einem Lösungsmittel verflüssigt werden, wobei das Graphen in Partikelform vor einer Mischung mit dem Graphitpulver dem flüssigen Harz zugegeben werden kann, wobei das Harz verfestigt und zu einem Pulver verarbeitete werden kann, wobei das Pulver mit dem Graphitpulver gemischt werden kann. Die Mischung des Pulvers mit dem Graphitpulver kann extrudiert werden.
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Vorteilhaft kann eine homogene Dispersion von Graphen und Harz ausgebildet werden. Diese Dispersion kann dann einfach mit dem Graphitpulver gemischt werden, wodurch eine homogene Verteilung des Graphens innerhalb der Materialmischung und damit im Bürstenkörper leicht erzielbar ist.
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Wie sich herausgestellt hat, kann eine besonders hohe elektrische Leitfähigkeit des Bürstenkörpers erzielt werden, wenn Graphen mit einer mittleren Partikelgröße von ≤ 2 µm verwendet wird.
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Das Harz kann ein duoplastisches oder thermoplastisches Harz sein, wobei als Harz bevorzugt Epoxidharz, Phenolharz, Novolak oder Siloxan verwendet werden kann. Bei dem Siloxan kann es sich um Diorganopolysiloxane handeln.
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Als Graphen kann Graphenoxid (GO), reduziertes Graphenoxid (rGO), Graphennanoplatlets (GNO) und/oder Kohlenstoffnanoröhren (CNT) verwendet werden, die einlagig oder mehrlagig sein können. Insbesondere kann das verwendete Graphen in Abhängigkeit seines Herstellungsverfahrens funktionalisiert sein. Durch die Verwendung eines spezifischen Graphens wird es möglich eine Anpassung der Eigenschaften der Kohlebürste vorteilhaft vorzunehmen.
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Eine weitere vorteilhafte Abwandlung der Eigenschaften der Kohlebürste wird möglich, wenn dem Additiv einwandige oder mehrwandige Kohlestoffnanoröhren (CNT-Carbon Nano Tubes), Ruß und/oder andere Graphenmodifikationen zugegeben werden. Hier ist es dann insbesondere bei dem Ruß wesentlich, dass eine Partikelgröße des Rußes vergleichsweise klein ist. Je nach Größenverteilung der Partikel des Graphitpulvers können größere Zwischenräume zwischen den Partikeln des Graphitpulvers vorteilhaft mit Rußpartikeln ausgefüllt werden.
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Der Bürstenkörper kann mehrschichtig, bevorzugt zweischichtig oder dreischichtig, ausgebildet werden, wobei zumindest eine Schicht das Additiv aufweisen und mit einer Kontaktfläche zur elektrischen Kontaktierung der Kontaktstruktur ausgebildet werden kann. Eine von der Kontaktfläche abgewandte Schicht des Bürstenkörpers kann beispielsweise einen abweichenden Anteil an Graphen aufweisen oder auch frei von Graphen sein. Die Schichten können sich auch dadurch unterscheiden, dass sie unterschiedliche Anteile an Graphitpulver und/oder Metallpulver aufweisen. So kann ein Bürstenkörper ausgebildet werden der an seiner Kontaktfläche eine besonders gute elektrische Kontaktierung und an seinem der Kontaktfläche gegenüberliegenden Ende gleichzeitig eine einfache Befestigung einer Litze ermöglicht.
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Die Erfindungsgemäße Kohlebürste zur elektrischen Kontaktierung einer relativ zur Kohlebürste bewegten Kontaktstruktur, insbesondere eines Kommutators oder eines Schleifrings einer elektrischen Maschine, ist aus einem Bürstenkörper gebildet, der aus einer verfestigten Materialmischung aus einem Graphitpulver mit einem ausgehärteten Harz und einem partikelförmigen Additiv besteht, wobei das Additiv Graphen ist. Hinsichtlich der vorteilhaften Wirkungen der erfindungsgemäßen Kohlebürste wird auf die Vorteilsbeschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwiesen. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen einer Kohlebürste ergeben sich aus den auf den Verfahrensanspruch 1 rückbezogenen Unteransprüchen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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